Содержание

Введение
1. Кремний
2. Получение кремния для подложек интегральных схем
3. Физические и химические свойства
4. Физика и химия полупроводников
5. Применение кремния в современной микроэлектронике
Заключение
Список использованных источников

Внимание!

Если вам нужна помощь с работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Подробнее Гарантии Отзывы

Введение

“…Кремний вырисовывается в мироздании как, элемент, обладающий исключительным значением”, – В. И. Вернадский.

Начиная с конца 1950-х гг., кремний становится ведущим полупроводниковым материалом благодаря успешному развитию методов зонной плавки для очистки полупроводников. По распространенности он второй элемент после кислорода. Кремний является основным компонентом ИС, транзисторов.

Чистый кремний (примесей может быть меньше 10%) — важнейший полупроводник, основа современной микроэлектроники, так как обладает уникальными свойствами: кремний технологичен, инертен в обычных условиях, выдерживает высокие температуры, сопровождающие процесс изготовления приборов и интегральных схем. Для создания диэлектрических слоев нет необходимости специально искать диэлектрические материалы – собственный окисел SiO2, формируемый на кремнии, выполняет Изолирующие и маскирующие функции. Его запасы практически безграничны.

1. Кремний

Кремний (лат. Silicium)

Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. В природе элемент представлен тремя стабильными изотопами: 28Si (92,27%), 29Si (4,68%) и 30Si (3,05%).

Историческая справка. Соединения К., широко распространённые на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений К., связанное с их переработкой, — изготовление стекла  — началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение К. — двуокись SiO2 (кремнезём). В 18 в. кремнезём считали простым телом и относили к «землям» (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезёма установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный К. из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название ввёл Г. И. Гесс в 1834.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма – соединений на основе кремния SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния – это песок, кварц, полевые шпаты. Вторую по распространенности в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Кремний никогда не встречается в свободном состоянии в виде простого вещества, он всегда связан с кислородом и, за несколькими исключениями, всегда имеет координационное число 4. Структурные единицы {Si04} могут существовать в виде отдельных частиц или соединяться, образуя цепи, ленты, кольца, слои или трехмерные каркасы

Закажите работу от 200 рублей

Если вам нужна помощь с работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Подробнее Гарантии Отзывы

2. Получение кремния для подложек ИС

Существуют поли- и монокристаллы кремния. Поликристалл состоит из множества монокристаллических зёрен с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристалле отсутствует регулярность структуры (анизотропия свойств). Монокристалл кремния представляет собой сплошную упорядоченную структуру с анизотропными свойствами (анизотропные свойства – это зависимость электрических, механических и химических свойств от направления кристаллической решётки).

Технология изготовления монокристаллов полупроводникового кремния состоит из следующих этапов:

  • Получение технического кремния;
  • Превращение кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено;
  • Очистки и восстановления соединения, получения кремния в виде поликристаллических стержней;
  • Конечной очистки кремния методом кристаллизации;
  • Выращивания легированных монокристаллов кремния.

Сырьем для получения кремния служит чистый диоксид кремния, который восстанавливают углеродом в печах при температуре около 1700 °С. Однако чаще кремний получают в виде сплава с железом (ферросилиций) или магнием. Ввиду того, что очи-стка технического кремния очень сложна, его обычно переводят в легколе-тучие производные (SiCl4; SiHCl3, SiH4), которые подвергают глубокой ректификационной очистке. Из указанных соединений получают кремний сырец. Соответственно существуют три способа его получения.

В печи происходит ряд промежуточных реакций. Результирующая реакция может быть представлена в виде

SiC(тв) + SiO2(тв)Si(тв) + SiO2(газ) + CO(газ)

Технический кремний содержит 98. . .99% Si, 1. . .2% Fe, Au, B, P, Ca, Cr, Mg, Ni, Ti, V, Zn и др.

Современная технология производства поликристаллического кремния основана на процессе водородного восстановления трихлорсилана, восстановления тетрахлорида кремния цинком и пиролиза моносилана. Большую часть кремния (около 80%) получают путём водородного восстановления трихлорсилана (ТХС). Достоинства этого процесса – лёгкость и экономичность ТХС, эффективность очистки ТХС, высокое извлечение и большая скорость охлаждения кремния (извлечение кремния при использовании тетрахлорида кремния составляет 15%, а ТХС – не менее 30%), меньшая себестоимость продукции. ТХС обычно добывают путём гидрохлорирования кремния: взаимодействиятехнического кремния с хлористым водородом или со смесью газов, содержащих хлористый водород, при температуре 260…400ºС. ТХС содержит большое количество примесей, очистка от которых представляет сложную задачу.

Технически и экономически конкурентоспособным по сравнению с рассмотренным является метод получения поликристаллического кремния путём разложения силана SiH4 высокой частоты. Путём сплавления технического кремния и магния в водороде при 550 ºС получают силицид магния Mg2Si, который затем разлагают хлоридом аммония по реакции Mg2Si + 4NH4Cl → SiH4 +2MgCl2 + 4NH3 в среде жидкого аммиака при температуре 30 ºС. Отделяемый моносилан далее поступает на ректификационную очистку, в результате которой содержание примесей снижается до уровня менее 10-8…10-7%.

Очищенный ТХС восстанавливают и в результате получают поликристаллический кремний в атмосфере водорода на поверхности разогретых кремниевых стержней – основа диаметром 4. . .8 мм (иногда 30 мм):

SiHCl3(г) + H2(г)Si(г) + 3HCl(г)

Получение поликристаллических стержней кремния путем термического разложения моносилана SiH4 производится по аналогичной методике при температурах 1000 °С. Образующийся при разложении водород SiH4(Г) → Si(T) + 2Н2(Г) обладает высокой степенью чистоты и используется в сопутствующем производстве. В результате поликремний обладает более высокой степенью чистоты, чем кремний, получаемый восстановлением ТХС.

Скидка 100 рублей на первый заказ!

Акция для новых клиентов! Разместите заказ или сделайте расчет стоимости и получите 100 рублей. Деньги будут зачислены на счет в личном кабинете.

Подробнее Гарантии Отзывы

Далее методом Чохральского получают монокристаллы кремния, из которых основная часть используется для производства интегральных микросхем; незначительная часть (около 2%) идет на изготовление солнечных элементов. Метод эффективен для изготовления приборов, не требующих высоких значений удельного сопротивления (до 25 Ом · см) из-за загрязнения кремния кислородом и другими примесями.

3. Физические и химические свойства

Физические свойства кремния

Кремний, как и германий, образует твёрдые ковалентные кристаллы со структурой алмаза. Температура плавления кремния 1421 ºС. Постоянная решётки а = 0,543 нм, плотность кристаллов 2320 кг/м3. Кремний значительно легче германия, а также несколько темнее и прочнее. Подвижность электронов и дырок в монокристаллическом кремнии при комнатной температуре составляет μn=1500 см2/В с; μp=480 см2/В с. Как и в германии, в кремнии существуют два типа дырок: лёгкие с mл* = 0,16m и тяжёлых mт*=0,49m. Ввиду сравнительно большого значения ширины запрещённой зоны, удельное сопротивление чистого кремния, обладающего собственной проводимостью, составляет около 105 ом см. Такой кремний должен содержать примесей не более чем 108 см-3.

Кремний является пьезоэлементом, и для него характерен как прямой, так и обратный пьезоэффект.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля. На этом физическом явление основан принцип работы кварцевых часов, кварцевый резонатор и др.

Химические свойства кремния

При комнатной температуре кристаллический кремний обладает малой реакционной способностью и реагирует только со фтором:

Si + 2F2 = SiF4.

Взаимодействие с другими элементами, в том числе с кислородом и галогенами, протекает только при нагревании до 500-600 ºС:

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Подробнее Гарантии Отзывы

Si + 2Cl2 = SiCl4.

Образование диоксида SiO2 является экзотермической реакцией и сопровождается выделением значительного количества теплоты:

Si + O2 = SiO2;       ΔHº = -911 кДж

Кремний при высоких температурах обладает большим сродством к кислороду и к кислородсодержащим соединениям проявляет сильные восстановительные свойства. Например:

2H2O(г) + Si(кр) = SiO2(кр) + 2H2(г),    ΔHº = -427 кДж,    ΔSº = -98 Дж/K,

Кремний по отношению к оксидам – гораздо более сильный восстановитель, чем водород.

С водными растворами обычных кислот кремний не реагирует, а кислоты-окислители пассивируют его, поскольку слой диоксида кремния не растворяется в кислотах. Однако кремний реагирует со смесью азотной и плавиковой кислот, так как согласно по принципу Пирсона объединяет “жёсткую” кислоту (Si4+) и “жёсткое” основание (F).

3Si +4HNO3 +18HF = 3H2[SiF6] +4NO↑ +8H2O

В щелочах диоксид растворим, и в присутствии ионов гидроксида кремний легко реагирует с водой даже, если pH раствора равен всего 8-9. В этих условиях реакция идёт фактически с образование SiO2, а анионы OH играют роль катализатора, препятствующего образованию плотной плёнки на поверхности:

2H2O + Si = SiO2 + 2H2

В более концентрированных щелочах при pH = 11 – 14 происходит растворение SiO2 и реакция идёт иначе:

H2O + Si + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2

4. Физика и химия кремния

В сверхчистом (полупроводниковом) кремнии между высшими занятыми энергетическими уровнями (валентная зона) и низшими свободными (зона проводимости) существует запрещенная зона. Валентная зона полностью занята, зона проводимости свободна, уровень Ферми EF (энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 1/2) располагается приблизительно посередине между ними, и вещество при комнатной температуре является изолятором. Если кремний легирован элементом 15-й группы (Р, As или Sb), каждый атом легирующей добавки вносит «избыточный» электрон; эти электроны могут быть переведены в зону проводимости посредством термического возбуждения или за счет поглощения фотонов: вещество является полупроводником n-типа с энергией активации ΔЕn (n обозначает носители отрицательного заряда, т.е. электроны). Напротив, легирование элементами 13-й группы (В, Аl или Ga) приводит к появлению акцепторных уровней, которые могут служить ловушками для возбужденных электронов из заполненной валентной зоны: вещество является полупроводником р-типа, носителями заряда служат положительные дырки в валентной зоне.

Если полупроводник n-типа на основе Si соединить с полупроводником р-типа, то образующийся p-n-переход имеет общий уровень Ферми: электроны начинают переходить от п- к р-образцу, а дырки в обратную сторону, и таким образом из-за пространственного разделения зарядов возникает разность потенциалов V0. следовательно, р-п-переход может действовать как диод для выпрямления переменного тока, так как ток в одном направлении проходит легче, чем в другом. На практике большие p-n-переходы могут достигать 10 мм2, в то время как в интегральных схемах их площадь не превышает 10 мм2 (т.е. квадрат со стороной 10 мкм).

Скидка 100 рублей на первый заказ!

Акция для новых клиентов! Разместите заказ или сделайте расчет стоимости и получите 100 рублей. Деньги будут зачислены на счет в личном кабинете.

Подробнее Гарантии Отзывы

Транзистор, или n-p-n-переход состоит из двух частей n-полупроводника на основе Si, разделенных тонким слоем слабого р-полупроводника. Если эмиттер смещен на небольшой потенциал в прямом направлении, а коллектор на больший потенциал в обратном направлении, это устройство работает как триод-усилитель.

Промышленное производство мельчайших, устойчивых в работе транзисторов на основе монокристаллов — это триумф методов твердотельного химического синтеза.

  1. Маленькую пластинку монокристаллического кремния n-типа окисляют путем нагревания в О2 или парах Н2О, при этом на поверхности образуется тонкий слой SiO2.
  2. Этот оксидный слой покрывают фоточувствительной пленкой, называемой фоторезистом.
  3. На фоторезист помещают маску и подвергают его облучению ультрафиолетом, при этом облучению подвергается только открытая часть фоторезиста; облученный фоторезист затем удаляют действием кислоты, в результате остается требуемая часть прочного оксидного покрытия.
  4. Незащищенные участки Si подвергают травлению плавиковой кислотой (HF), оставшийся фоторезист также удаляется.
  5. Поверхность обрабатывают парами элемента 13-й группы, примесные атомы диффундируют в незащищенные участки и образуют слой Si р-типа.
  6. Стадии 1-5 повторяют с другой маской, и новые участки обрабатывают парами элемента 15-й группы, при этом образуется слой Si n-типа.
  7. Наконец, поверхность подвергается повторному окислению с новой маской и затем повторному травлению, на образующиеся открытые участки осаждают металл, чтобы соединить п- и р-участки в интегральную схему.

Этим методом можно производить невероятно маленькие p-n-диоды и n-p-n-транзисторы. Например, в запоминающих устройствах компьютеров микрочип может хранить свыше 105 бит информации.

5. Применение кремния в современной микроэлектронике

Кремний основной материал современной электронной техники. Он идёт на изготовление практически всех существующих в настоящее время полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров, диодов и др.) и изделий микроэлектроники – интегральных устройств. Интегральные микросхемы (ИМС) – основное изделие в использовании кремния в настоящее время. Кремниевые ИМС и микропроцессоры являются основными компонентами вычислительной техники и автоматики. Кремний активно используется в солнечных батареях, непосредственно трансформирующих излучение солнца в электричество. Так же используется в кварцевых резонаторах, кварцевых часах и во многих других приборах.

Список использованных источников

1. Химическая энциклопедия: в 5-ти тт. / Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 508. — 671 с. — 100 000 экз.
2. Химия элементов : в 2 томах. / Н. Гринвуд, А. Эрншо ; пер. с агл. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — (Лучший зарубежный учебник), 607 с. : ил.
3. Кремний — элемент жизни. Экология и медицина. — СПб.: «Издательство «ДИЛЯ», 2008. — 448 с. Серия «Исцелит тебя Надежда!»
4. Общая химия: Учебник для вузов. — 4-е изд., исправл. – СПб: Химиздат, 2000. – 624 с.: ил.
5. Общая и неорганическая химия : учеб. для вузов : в 2 т. / под редакцией А. Ф. Воробьёва – 544 с.: ил.
6. Ежовский Ю. К. Введение в технологию материалов электронной техники: учебное пособие. – СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2012. – 108c.
7. Технологические основы производства полупро-водниковых интегральных схем: учебное пособие / М.Ф. Жаркой; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2016. – 123 с.
8. Жидкий кремний: новая перспектива микроэлектроники // Портал: ZOOM CNews – [Электронный ресурс]. URL http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/zhidkij_kremnij_novaya_perspektiva_mikroelektroniki (Дата обращения 10.11.2016)